变频电源中IGCT应用

    为了便于IGCT与GTO、IGBT的应用比较，下面从使用角度对三种3.3kV器件的部分特性进行了粗略的比较见表1-11。可见，IGCT兼有GTO、IGBT两者的优点。IGCT的应用情况可从可靠性、吸收与钳位电路、功率和频率及其适用范围方面讨论。    表1-11    三种3.3kV器件的特性比较
    1．可靠性    在实际应用中，可靠性是衡量电力电子装置的一个重要指标，装置中所用的分立元件数目越少，其可靠性就越高。可靠性一般用失效率(FIT)来表示，FIT依赖于许多因素，如芯片数、键合线、焊接质量、结终端结构、工作温度、机械和电应力等。单个半导体芯片典型的固有失效率为10FIT（即109器件工作时内有10次故障）。门极自身含有许多有源和无源元件，其失效率约为500FIT。采用不同元件的逆变器的失效率不同。表1-12给出了用于大功率逆变器(3MVA /600Hz)的GTO、IGBT和IGCT的比较。可见，IGCT在可靠性、损耗、质量、体积、热循环能力、模块化水平等指标方面都优于GTO和IGBT。    表1-12    用于大功率逆变器(3MVA/600Hz) GTO、TGBT、IGCT的比较
    当器件的电流增加时，失效率也会相应的提高。由于可靠性要求总的元件数低于一定值，因而使用时在价格和可靠性两方面难以做到很好的协调，需折衷考虑。    2．吸收电路和钳位电路    理想的开关既不需要吸收电路，也不需要钳位电路，并允许电流和电压能够快速变化。实际应用中，由于实际负载（如电动机）不可能接受这种运行方式，因此要求理想开关足够慢．以使其负载和相关电路的电压及电流不会发生急剧变化。理想的IGCT在合适的门极下主要呈类晶体管的特性，门极不能控制阳极的du/dt、di/dt，其阳极电压上升率du/dt可由基极开路的阳极PNP晶体管进行控制，并由设计的阳极区掺杂来确定，一般可确定在1500V/μs和4000V/μs之间，目前能实现的约为3000V/μs。因此，关断du/dt不可能也不需要采用门极控制，更不需要用任何吸收电路来进行限制。这不仅提高了IGCT的开关速度和可靠性，而且减小了吸收回路所产生的损耗。    开通时，几百安培大的门极脉冲电流会加在IGCT上，IGCT内部承受di/dt的能力很大，而与之集成的FWD内部承受di/dt的能力却受到限制，因此需要对FWD开通电流的di/dt加以限制。所以，IGCT与IGBT之间最大的不同是：IGCT必须有外部di/dt吸收电路，而IGBT可通过门极控制来限制di/dt。    所以，在IGCT电路设计中主要是采用di/dt吸收电路（而du/dt吸收电路是备用的）。在低频工作情况下，采用电压吸收电路（R-C-D网络）是没有问题的，其损耗很小，但却使IGCT可关断电流增加。高频下可省去电压吸收电路。图1-29给出了电压钳位和di/dt吸收的组合电路。其中直流中间回路的杂散电感L8必须严格保持在一个最小值(< 300nH)，否则就会出现损耗过大和电压过冲，这时就需要考虑另加一个电压吸收电路。
    图1-29    电压钳位和di/dt吸收的组合电路    由于IGCT的存储时间极短(<3μs)，不需选择和调整就能可靠串联，若在每个器件上加上电压吸收电路，最大存储时间可缩短到300ns以内。因此，IGCT能简单串联，这是开发新型大功率逆变器的一项关键技术。    3．功耗和频率    任何半导体器件总的损耗都由其可行的冷却方式决定，总损耗包括开关损耗和通态损耗。通态损耗越低，留给开关损耗的“余量”就越大。    在无吸收的晶体管电路中，最高工作频率受开关损耗的限制：表1-13给出了在IA=1.2kA，UD= 3kV，f=500H，Duty= 50%的条件下，6kV/4kA的IGCT与4.5kV/1.2kA的HVIGBT损耗的比较结果。从表1-13中可见，虽然IGCT有外部电路损耗，但IGCT总耗大约是HVIGBT的75%。主要是它的开通损耗非常低。因此，在确定的冷却方式下，IGCT就有可能工作在较HVIGBT稍高的频率。目前，IGCT的设计电压范围在3.3~ 6kV之间，根据通常的折衷方法（电压、电流、占空比、冷却），则要求6kV的器件能工作在1kHz的频率下，3.3kV的器件能工作在3kHz的频率下。    表1-13   IGCT与HVIGBT的损耗比较
    4．适用范围    与GTO和IGBT相比，IGCT具有损耗低、开关速度快、内部机械部件极少等特点，因而保证了IGCT有较低的成本和紧凑的结构，能可靠、高效地应用于各种驱动控制、静态无功补偿器SVG、感应加热谐振转换器、静态阻断器等各种电力变流器及柔性交流输出系统FACTS和民用电力市场。对中压大功率应用，可利用IGCT能简单、可靠串联这一关键技术。    由于最新技术的飞跃，IGCT未来的发展仍有巨大的潜力。主要是降低指定装置的成本，其新技术可以归纳为4个领域：二极管的发展（无吸收二极管）、阻断电压(6kV，9kV)、封装（塑料、水冷器件、低温键合、应变缓冲片）及钝化技术（无机钝化）。可以预计，提高可靠性和降低成本是未来发展的动力。实际上是要求改进目前的封装技术，并在封装中集成其他功能，如驱动电路和保护电路。因而封装技术很有可能成为将来重要的研究课题。    综上所述，IGCT在功率、可靠性、速度、效率、成本、质量和体积等方面均达到了新的性能标准，并在未来的发展中仍有很大的潜力，随着人们的不断认识，它必将成为大功率应用中首选的电力半导体器件。    IGCT包含了未来电力电子应用技术所需的重要技术，是对电力电子技术的重大贡献，由于其存储时间短，不同器件间关断时间偏差极小。因此，特别适用于串联使用，其优越的关断特性可以进行无吸收逆变器的设计，即使在数万赫兹的频率下工作，IGCT亦能应付其复杂短暂的控制过程。    IGCT将GTO技术与现代功率晶体管IGBT的优点集于一身，利用大功率关断器件可简单可靠地串联这一关键技术，使得IGCT在中高压领域以及功率在0.5~ 100MVA的大功率应用领域尚无真正的对手。由于IGCT在大功率电力电子应用中公认的重要性，目前已开始在世界范围内掀起了对IGCT器件技术研究的热潮。